CN110049451B - 一种面向野外的移动自组网信息回传的方法、装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向野外的移动自组网信息回传的方法、装置和系统。所述装置由近距离通信模块与远距离通信模块组成；所述系统由所述装置，数据采集端装置及云端数据库组成；所述回传方法包括根据最小/最大ID算法与TDMA(时分多址)相结合的方式随机聚合形成局部自组织网络，同时解决广播通信碰撞问题，其次，根据回传信息的业务优先级采取不同的回传策略，适应不同业务优先级对于时延要求，最后，通过自组网的方式将同一网络中未联网成员上传信息通过该网内其他成员上传服务器端，实现多径回传路径，有效减少重要消息回传时延。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，并且更具体地，涉及用于面向野外的移动自组织网络信息回传。
背景技术
移动Ad Hoc网络(Mobile Ad Hoc Network,MANET)是一种移动的、无中心的、多跳的、分布式自组织网络。Ad Hoc网络是建立在特定场合的、特殊用途的无线网络，主要由分布式节点组成，这些节点即是终端又是路由并且可以任意移动位置，因此网络的拓扑结构是任意而不可预测的。它以一种独立的组网工作方式或者接入到Internet进行工作。它区别于现有无线网络的最显著特点是自治、多跳。首先，Ad Hoc网络中任何节点的地位都是平等的，无需设置任何中心节点，具有很强的抗毁性；其次，节点同时具备转发和路由功能，当目的节点与源节点相距较远时，可以经过中间节点进行转发，即数据包经过多跳后到达目的地实现通信。
近年来，随着无线及嵌入式技术的发展，Ad Hoc网络在野外搜救、野外检测等方面有着非常广阔的应用前景，并且未来无线网络通信的格局是以现有有线网络为通信网的骨干网，以各种短距无线通信技术，比如WIFI、Bluetooth、Lora、Zigbee等技术组成的局域网无缝接入骨干网实现任何时间、任何地点、任何人、任何设备间通信。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种面向野外的移动自组网信息回传的方法、装置和系统，以解决移动设备之间自动形成自组织网络，实现消息的共享和传输问题，减少自组网内部消息碰撞问题，以及针对不同优先级业务采用不同策略进行信息回传，有效减少高优先级消息回传时延高的问题。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明实施例提供一种面向野外的移动自组网的信息回传的方法，包括：
首先，移动设备之间自动聚合形成局部自组织网络的协议，包含以下步骤：
步骤1.1：设备上电复位，设备初始化设置通信信道为广播信道，进入广播监听状态；
步骤1.2：在设备广播定时溢出之前，是否接收到广播消息，若接收到广播消息则通过最小ID算法或者最大ID算法判断当前设备是否为广播节点；在最小ID算法中，当接收到的广播设备的ID大于自身设备的ID号时，则当广播定时溢出时发送广播信号，反之，则不发送广播信号；而最大ID算法与最小ID算法相反；若没有接收到广播信号，则在定时溢出之后本节点发送广播信号。
步骤1.3：移动设备收到周围邻居移动设备发送的广播信息后，解析接收信息并且判断邻居状态列表中是否存在该邻居，若不存在则向邻居状态列表中添加该邻居节点信息，若存在则更新该节点相关信息；
步骤1.4：在完成步骤1.2、1.3后，即完成广播消息的接收和处理后，进行广播消息响应，广播消息响应采用的是TDMA的方式在固定分配的时隙中进行响应，N个节点则一帧中包含N个时隙，每个时隙为5ms。
步骤1.5：由于本协议中采用的广播消息和响应消息格式相同，所以本协议中的响应消息广义上也是一种局部聚合自组织网络的广播消息，所以当其他移动设备收到响应消息时，解析接收消息并更新本移动节点的邻居状态列表。
步骤1.6：邻居列表的定时刷新机制，当邻居列表非空时，本移动设备节点在预设定的1s时间段内，超时未接收到邻居列表中对应邻居的广播消息，将节点活跃标志位值减一，接着判断活跃标志位是否为零，若为零则认为该邻居已经不在本移动设备节点的通信范围之内，在邻居节点列表中将该邻居节点删除，解除邻居关系。
步骤1.7：重启广播机制，当移动节点在预设1min的最大广播接收时间间隔之内都未接收到相邻移动设备节点的广播信息，则在定时溢出之后，重新启动本节点的广播信号传输，以聚合形成新的自组织网络。
其次，根据GB/T 34817-2017等国家标准对野外检测回传消息进行优先级分类，分别为高优先级、中优先级和低优先级；高优先级的消息包括重要且紧急的消息、重要非紧急消息，中优先级的消息包括非重要紧急消息，低优先级的消息包括非重要非紧急的消息。
最后，根据业务消息优先级及自组织网络进行数据回传，包含以下步骤：
步骤2.1：当接收到回传消息时，先判断当前设备联网状态，通过远距离通信模块(2G/3G/4G)通过向服务器端发送心跳包，当收到服务器端响应时，则判断设备联网状态为佳，否则判定设备未联网即为不佳，若联网状态不佳则转入步骤2.2；否则，将回传消息通过该移动节点设备上传云端服务器，结束该消息的传输。
步骤2.2：解析回传消息，获取回传消息优先级，若为高优先级或者中等优先级则转到步骤2.3；否则为低优先级，则等待本移动设备节点联网状态佳时上传，直至新的优先级高于当前消息优先级的消息到来将其覆盖。
步骤2.3：判断当前邻居列表是否为空，若邻居列表非空则转到步骤2.4；否则，邻居列表为空，则等待本移动设备节点联网状态佳时上传，直至新的优先级高于当前消息优先级的消息到来将其覆盖。
步骤2.4：判断消息优先级，若为高优先级，则判断当前状态是否为空闲状态，若为空闲状态，则转入步骤2.5，否则等待直至当前状态为空闲。若为中优先级，则转到步骤2.7；
步骤2.5：节点发送RTS(Request To Send)数据包，延时1s时间后检测是否接收到CTS(Clear To Send)数据包，若接收到则转入到步骤2.6；否则，未接收到CTS应答信号，判断当前信道是否空闲，若空闲则转到步骤2.5，若非空闲则延时10ms后检测，直至检测信道空闲转至步骤2.5。
步骤2.6：发送数据包，然后进入等待接收应答，若延时溢出后未接收到数据包的应答信号，转到步骤2.5；若在延时溢出之前接收到应答信号则结束此轮传输进入空闲状态。
步骤2.7：判断邻居状态表中是否存在联网状态良好的邻居，若存在则选出其中之一进行点对点的数据传输，转到步骤2.8；否则等待本移动节点联网状态佳时上传或者邻居联网状态良好时转至步骤2.8，直至新的优先级高于当前消息优先级的消息到来将其覆盖。
步骤2.8：发送数据包，然后进入等待接收应答，若延时溢出后未接收到数据包的应答信号，判断当前信道是否空闲，若空闲则进入步骤2.7，若非空闲则延时10ms后检测，直至检测到信道空闲进入步骤2.7；若延时溢出后接收到应答数据包，则结束当前的数据传输，进入空闲状态。
第二方面，本发明实施例提供一种面向野外的移动自组网信息回传的装置，包括：
短距离通信模块，指DSRC(Dedicated Short Range Communication)通信模块其通信距离在100米之内，采用短距离无线通信方式与自组网内的短距通信模块进行通信；
远距离通信模块，指2G/3G/4G通信模块其通信距离大于等于10千米，采用远距离无线通信方式与云端进行数据交互。
在一些可选的实施例中，所述短距离通信模块，具体用于：
通过载波监听判断当前时刻信道处于空闲/忙的状态，用以决定下一时刻是否占用信道进行通信；
通过接收广播信号获取周围邻居设备状态信息。
在一些可选的实施例中，所述远距离通信模块，具体用于：
将自身的接入状态信息上报给短距离通信模块；
将从短距离通信模块或者其他控制器传来的数据包上传到服务器端，同时可以接收从服务器端下发的指令，设置自身参数；
远距离通信模块可以通过寻呼与其他移动设备节点进行远距离通信。
第三方面，本发明实施例还提供一种面向野外的移动自组网信息回传的系统，包括：
所述系统包括面向野外的移动自组网信息回传的装置；
所述系统通过接收外部微控制器或者传感器传来的信息，判断当前联网状态，若联网状态良好则直接将接收数据上传服务器，否则通过短距离通信模块将信息分享给邻居或者全网其他移动设备节点上传。
本发明的有益效果包括：
(1)针对野外信息回传系统中的高优先级时敏业务，中、低优先级非时敏且对时延指标要求不高的特点，设计随机立即接入广播泛洪、点对点传输及等待上传相结合的传输协议，满足业务时效性和可靠性要求，保证稳定的全网吞吐量，且无需全网精确同步；
(2)对于高优先级业务，采用随机立即接入广播泛洪机制，在保证高优先级业务时敏要求的同时，保证了高优先级任务的成功上传率；
(3)对于中等优先级，采用点对点传输，可以有效减缓网络的负载，有效提高整体信道利用率。
(4)采用最小(或者最大)ID算法与TDMA(时分多址)相结合的机制，有效较少广播信号的碰撞率；
(5)通过握手信号实现跳频通信，可以有效减少隐藏节点对于通信节点的干扰。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明实施例一中移动设备节点通信方法的实现原理图；
图2为本发明实施例一中移动设备节点广播发送和接收流程图；
图3为本发明实施例一中移动设备节点重启广播发送流程图；
图4为本发明实施例一中移动设备节点邻居状态表定时刷新流程图；
图5为本发明实施例一中移动设备节点数据上传与共享上传流程图；
图6为本发明实施例一中广播/应答数据包格式；
图7为本发明实施例一中邻居信息管理列表格式；
图8为本发明实施例一中RTS数据包格式；
图9为本发明实施例一中CTS数据包格式；
图10为本发明实施例一中移动设备节点发送数据的数据包格式；
图11为本发明实施例一中移动设备节点应答数据的数据包格式；
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例一
本发明实施例一提供一种面向野外的移动自组网信息回传的装置与系统，其实现原理如图1所示：
如图1所示，本系统信息回传装置由近距离通信模块和远距离通信模块所构成，在本实施例中近距离通信模块即DSRC(Dedicated Short Range Communication)通信模块，采用5.7GHZ-5.9GHZ频段，使用芯片为A1011射频芯片；远距离通信模块可以时2G/3G/4G/5G远距离通信模块，本实施例中采用上海龙尚科技有限公司的A8900的通信模块，采用GPRS进行远距离通信接入广域网进行数据传输。所述远距离通信模块与所述近距离通信模块之间通过串口进行数据传输，本系统中移动设备节点与移动设备节点之间通过DSRC通信模块进行通信，移动设备节点与广域网之间通过GPRS进行数据传输；
本发明实施例一提供一种面向野外的移动自组网信息回传的方法，其实现流程如图2-5所示：包括：
首先，移动设备之间自动聚合形成局部自组织网络的协议，其实现流程图如图2-4所示，包含以下步骤：
步骤1.1：如图2所示，设备上电复位后，广播标志位BROADCAST_FLAG＝0，设备初始化设置通信信道为广播信道，进入广播监听状态；
步骤1.2：在设备广播定时溢出之前，是否接收到广播消息(广播消息格式如图6所示)，若接收到广播消息，此实施例中使用最小ID算法来确定广播节点，解析接收广播信号并且判断接收消息ID是否小于本节点ID，若小于本节点ID则BROADCAST_FLAG＝1，反之，BROADCAST_FLAG保持不变；若没有接收到广播信号，判断BROADCAST_FLAG是否等于0，若等于0则进入广播否则进入监听状态。
步骤1.3：移动设备收到周围邻居移动设备发送的广播信息后，解析接收信息并且判断邻居状态列表(格式如图7所示)中是否存在该邻居，若不存在则向邻居状态列表中添加该邻居节点信息，若存在则更新该节点相关信息；同时将接收到的移动设备节点的活跃标志位值设定为0xFF固定值；
步骤1.4：在完成步骤1.2、1.3后，即完成广播消息的接收和处理后，进行广播消息响应(格式如图6所示)，广播消息响应采用的是TDMA的方式在固定分配的时隙中进行响应，N个节点则一帧中包含N个时隙，每个时隙为5ms，有效解决避免节点消息碰撞问题。
步骤1.5：由于本协议中采用的广播消息和响应消息格式相同，所以本协议中的响应消息广义上也是一种局部聚合自组织网络的广播消息，所以当其他移动设备收到响应消息时，解析接收消息并更新本移动节点的邻居状态列表。
步骤1.6：如图3所示，重启广播机制，全局变量TIME_RESTART_COUNT等于0；设定定时器每15ms溢出一次，判断在定时器溢出之前是否接收到广播信息，若接收到广播信息则将TIME_RESTART_COUNT清零，否则定时器溢出TIME_RESTART_COUNT加1，当TIME_RESTART_COUNT计数大于4000时，即1min时间，在超出1min时间未接收到任何广播消息，则将ROADCAST_FLAG清零重启广播。
步骤1.7：如图4所示，定时刷新机制，设定定时器每10ms溢出一次，然后判断当前邻居状态列表是否为空，若非空则将邻居列表中所有节点的节点活跃标志位值减1，接着判断节点活跃标志位值是否为零，若为零则将该节点从邻居列表中删除，若非空则结束；若为空则退出此步骤；
其次，自组织网络进行数据回传的协议，其流程图如图5所示，包含以下步骤：
步骤2.1：在串口中断中进行回传消息接收，当接收到回传消息时，先判断当前设备联网状态，通过远距离通信模块(2G/3G/4G)通过向服务器端发送心跳包，当收到服务器端响应时，则判断设备联网状态为佳，否则判定设备未联网即为不佳，若联网状态不佳则转入步骤2.2；否则，将回传消息通过该移动节点设备上传云端服务器，结束该消息的传输。
步骤2.2：解析回传消息，获取回传消息优先级，若为高优先级或者中等优先级则转到步骤2.3；否则为低优先级，则等待本移动设备节点联网状态佳时上传，直至新的优先级高于当前消息优先级的消息到来将其覆盖。
步骤2.3：判断当前邻居列表是否为空，若邻居列表非空则转到步骤2.4；否则，邻居列表为空，则等待本移动设备节点联网状态佳时上传，直至新的优先级高于当前消息优先级的消息到来将其覆盖。
步骤2.4：判断消息优先级，若为高优先级，则判断当前状态是否为空闲状态，若为空闲状态，则转入步骤2.5，否则等待直至当前状态为空闲。若为中优先级，则转到步骤2.7；
步骤2.5：节点发送RTS(Request To Send)数据包(格式如图8所示)，延时1s时间后检测是否接收到CTS(Clear To Send)数据包(格式如图9所示)，若接收到则转入到步骤2.6，同时根据RTS和CTS中的信道占用时长来设置当前移动节点关闭广播信号时长与进入数据交换时间长度；否则，未接收到CTS应答信号，判断当前信道是否空闲，若信道空闲则重发RTS数据包，若非空闲则延时10ms后检测，直至检测信道空闲重发RTS数据包。
可选的，在发送RTS数据包时可以包含预分配的通信信道，实现跳频通信。
步骤2.6：发送数据包，然后进入等待接收应答，若延时溢出后未接收到数据包的应答信号，转到步骤2.5；若在延时溢出之前接收到应答信号则结束此轮数据传输进入空闲状态。
步骤2.7：判断邻居状态表中是否存在联网状态良好的邻居，若存在则选出其中之一进行点对点的数据传输，转到步骤2.8；否则等待本移动节点联网状态佳时上传或者邻居联网状态良好时转至步骤2.8，直至新的优先级高于当前消息优先级的消息到来将其覆盖。
步骤2.8：发送数据包(格式如图10所示)，然后进入等待接收应答(应答数据包格式如图11所示)，若延时溢出后未接收到数据包的应答信号，判断当前信道是否空闲，若空闲则进入步骤2.7，若非空闲则延时10ms后检测，直至检测到信道空闲进入步骤2.7；若延时溢出后接收到应答数据包，则结束当前的数据传输，进入空闲状态。
尽管已经公开具体的实例实施例，但是本领域技术人员将理解，在不违离本发明的精神和范围的情况下可以对所述具体实施例做出改变。
Claims (1)
1.一种面向野外的移动自组网的信息回传的方法，其特征在于，包括：
首先，移动设备之间自动聚合形成局部自组织网络的协议，包含以下步骤：步骤1.1：设备上电复位，设备初始化设置通信信道为广播信道，进入广播监听状态；
步骤1.2：在设备广播定时溢出之前，是否接收到广播消息，若接收到广播消息则通过最小ID算法或者最大ID算法判断当前设备是否为广播节点；在最小ID算法中，当接收到的广播设备的ID大于自身设备的ID号时，则当广播定时溢出时发送广播信号，反之，则不发送广播信号；而最大ID算法与最小ID算法相反；若没有接收到广播信号，则在定时溢出之后本节点发送广播信号；
步骤1.3：移动设备收到周围邻居移动设备发送的广播信息后，解析接收信息并且判断邻居状态列表中是否存在该邻居，若不存在则向邻居状态列表中添加邻居节点信息，若存在则更新该节点相关信息；
步骤1.4：在完成步骤1.2、1.3后，即完成广播消息的接收和处理后，进行广播消息响应，广播消息响应采用的是TDMA的方式在固定分配的时隙中进行响应，N个节点则 一帧中包含N个时隙，每个时隙为5ms；
步骤1.5：当其他移动设备收到响应消息时，解析接收消息并更新本移动节点的邻居状态列表；
步骤1.6：邻居列表的定时刷新机制，当邻居列表非空时，本移动设备节点在1s内超时未接收到邻居列表中对应邻居的广播消息，则认为该邻居已经不在本移动设备节点的通信范围之内，在邻居节点列表中将该邻居节点删除，解除邻居关系；
步骤1.7：重启广播机制，当移动节点在预设的1min时间间隔之内都未接收到相邻移动设备节点的广播信息，则在定时溢出之后，重新启动本节点的广播信号传输，以聚合形成新的自组织网络；
其次，自组织网络进行数据回传的方法，包含以下步骤：
步骤2.1：当接收到回传消息时，先判断当前设备联网状态，通过远距离通信模块通过向服务器端发送心跳包，当收到服务器端响应时，则判断设备联网状态为佳，否则判定设备未联网即为不佳，若联网状态不佳则转入步骤2.2；否则，将回传消息通过该移动节点设备上传云端服务器，结束该消息的传输；
步骤2.2：解析回传消息，获取回传消息优先级，若为高优先级或者中等优先级则转到步骤2.3；否则为低优先级，则等待本移动设备节点联网状态佳时上传，直至新的优先级高于当前消息优先级的消息到来将其覆盖；
步骤2.3：判断当前邻居列表是否为空，若邻居列表非空则转到步骤2.4；否则，邻居列表为空，则等待本移动设备节点联网状态佳时上传，直至新的优先级高于当前消息优先级的消息到来将其覆盖；
步骤2.4：判断消息优先级，若为高优先级，则判断当前状态是否为空闲状态，若为空闲状态，则转入步骤2.5，否则等待直至当前状态为空闲；若为中优先级，则转到步骤2.7；
步骤2.5：节点发送RTS即Request To Send数据包，延时1s时间后检测是否接收到CTS即Clear To Send数据包，若接收到则转入到步骤2.6；否则，未接收到CTS应答信号，判断当前信道是否空闲，若空闲则重发RTS数据包，若非空闲则延时10ms后检测，直至检测信道空闲重发RTS数据包；
步骤2.6：发送数据包，然后进入等待接收应答，若延时溢出后未接收到数据包的应答信号，转到步骤2.5；若在延时溢出之前接收到应答信号则结束此轮传输进入空闲状态；
步骤2.7：判断邻居状态表中是否存在联网状态良好的邻居，若存在则选出其中之一进行点对点的数据传输，转到步骤2.8；否则等待本移动节点联网状态佳时上传或者邻居联网状态良好时转至步骤2.8，直至新的优先级高于当前消息优先级的消息到来将其覆盖；
步骤2.8：发送数据包，然后进入等待接收应答，若延时溢出后未接收到数据包的应答信号，判断当前信道是否空闲，若空闲则进入步骤2.7，若非空闲则延时10ms后检测，直至检测到信道空闲进入步骤2.7；若延时溢出后接收到应答数据包，则结束当前的数据传输，进入空闲状态。
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